Onderzoekers bedenken methode om levensduur solidstate-lithiumaccu's te verhogen

Amerikaanse wetenschappers hebben een techniek ontwikkeld om solidstate-lithiumaccu's langer te laten meegaan. De onderzoekers hebben een speciale nanocoating ontwikkeld om te voorkomen dat het elektrolyt door het energiedichte lithium wordt aangetast.

De wetenschappers van de Columbia University School of Engineering zetten uiteen dat ze een boornitridecoating als grensvlak hebben ontwikkeld om het vaste elektrolyt van lithiummetaalaccu's te beschermen tegen lithiummetaal. Dit moet uiteindelijk leiden tot solidstateaccu's met een relatief hoge energiedichtheid, lange levensduur en hoge veiligheid. De onderzoekers zien dit als een belangrijk type accu voor de 'volgende generatie energieopslag', waarbij het bijvoorbeeld gaat om elektrische auto's.

Lithiummetaal als vervanger van het in de anodes van lithium-ionaccu's gebruikte grafiet kan een bijna tien keer zo hoge energielading leveren, maar tijdens het laadproces in een cel kan lithiummetaal worden afgezet rond de anode. Dit proces heet lithium plating. Op den duur leidt dit tot problemen, omdat tijdens dit proces vaak dendrieten worden gevormd. Dit zijn kristalstructuren die tussen de anode en kathode groeien, en kortsluiting en hitteontwikkeling kunnen veroorzaken, waardoor zelfs brand kan ontstaan.

Dit risico weten de wetenschappers naar eigen zeggen in te dammen door allereerst vast, keramisch elektrolyt te gebruiken, omdat dit van nature al beter de vorming van dendrieten kan beperken dan het vloeibare elektrolyt in lithium-ionaccu's. Bovendien is dit vaste elektrolyt van nature niet brandgevaarlijk, wat het een stuk veiliger maakt dan het brandgevaarlijke elektrolyt in lithium-ionaccu's.

Dan is er nog het probleem van de instabiliteit door het lithium, in de vorm van corrosie. Om de instabiele, vaste elektrolyten bruikbaar te maken voor alledaagse toepassingen, moet een stabiel grensvlak worden toegepast dat niet alleen elektronisch isolerend is, maar ook de lithiumionen kan blijven geleiden. Bovendien moet het grensvlak zeer dun zijn om de energiecapaciteit van de accu's niet te beperken.

Volgens de onderzoekers is een nanocoating van boornitride van 5 tot 10nm de oplossing. Dit is de zeer dunne, beschermende laag die het lithiummetaal en het ionengeleidende vaste elektrolyt elektrisch scheidt. Boornitride is volgens de wetenschappers gekozen als beschermingslaag omdat het chemisch en mechanisch stabiel is met lithiummetaal. Het boornitride is bewust met intrinsieke oneffenheden ontworpen om lithiumionen door te kunnen laten. De onderzoekers omschrijven het als een 'kogelvrij vest' waarmee een lange levensduur van lithiummetaalaccu's mogelijk is.

De onderzoekers zien lithiummetaal als onmisbaar om de energiedichtheid in accu's te verhogen. Ze breiden momenteel hun methode uit naar een brede categorie van instabiele vaste elektrolyten om het grensvlak verder te optimaliseren. De wetenschappers verwachten dat met hun methode solidstateaccu's met hoge prestaties en lange levensduur zijn te maken.

Het onderzoek is verschenen in het tijdschrift Joule onder de titel Stabilizing Solid Electrolyte-Anode Interface in Li-Metal Batteries by Boron Nitride-Based Nanocomposite Coating.

Reacties (49)

Heel leuk allemaal (en dat meen ik oprecht), maar ik heb al vaker van dit soort artikelen gezien in de afgelopen 5 jaar. Toch zie ik dit soort dingen niet in de praktijk verschijnen, of er wordt niets over gemeld?

Wat voorbeelden voor context:

• nieuws: Taiwanees bedrijf gaat solid-stateaccu's produceren voor Chinese auto...
• nieuws: Onderzoekers verlengen levensduur NiMH-accu door zuurstof toe te voegen
• nieuws: Onderzoekers maken lithium-ionaccu met tien keer zo grote energiecapa...
• nieuws: Onderzoekers maken accu die zichzelf beschermt tegen oververhitting
• nieuws: Wetenschappers maken accu die in half uur grotendeels oplost in water
• nieuws: Onderzoekers ontwikkelen accu die langzaam slijt
• nieuws: Chemicus wil brandrisico lithium-ionaccu's tegengaan met silica in el...

[Reactie gewijzigd door AnonymousWP op 24 april 2019 15:37]

Er is nu eenmaal een verschil tussen wetenschappelijk onderzoek en praktijk. Wetenschappelijk onderzoek begint bij een hypothese. Heel eenvoudig uitgelegd kan de vraag luiden: Bestaat er de mogelijkheid betere types batterijen te ontwikkelen? Specifieker kan de vraag zijn: brandveiliger, beter bestand tegen ontlading, hogere energiedichtheid, ... Na onderzoek kunnen ze een vraag op dit antwoord formuleren: bv. het type solid state batterij is op vlak van hogere energiedichtheid een belofte. Veel wetenschappelijk onderzoek eindigt met 'meer onderzoek is nodig'. En daarvoor moet je financiering vinden. Je onderwerp moet dus 'in the picture' komen. Dat doe je door te publiceren, door media aan te schrijven, door lobbyisten, investeerders, overheden, ... te contacteren. Op dat moment lezen wij 'wetenschappers ontwikkelen batterij die 100x langer meegaat (clickbait dus). Dat schept verwachtingen...
Echter... wetenschappelijk onderzoek is een proces waar jàren overheen gaan. Dit was gisteren bv. in het nieuws, en gaat over een onderzoek dat 30 jaar geduurd heeft.
Om terug te gaan naar de batterij: Met dat eerste artikel heb je nog geen product op de markt. Het is niet omdat een solid state batterij een hogere energiedichtheid garandeert, dat hij praktisch bruikbaar is. Vaak zijn er praktische nadelen zoals onstabiele grondstoffen, zeer dure productie, brandgevaar, ... Naast een belofte dien je dus eerst alle problemen op te lossen om tot een bruikbaar product te komen. Eens dat er is, kan je academisch traject stoppen en kan je overgaan naar een spin-off. Maar dan begint het pas. Is het product dat je ontwikkelt hebt levensvatbaar? Kan het aan de beloftes voldoen? Is het betaalbaar? Is er uberhaupt een markt voor? Zelfs indien je een goed product hebt ontwikkelt, zijn er zoveel mogelijke hindernissen die ervoor kunnen zorgen dat een beloftevolle uitvinding of verbetering het nooit zal halen. En indien het dan toch de 'consumtiefase' bereikt, kunnen we gerust tientallen jaren later zijn...

"Wetenschappelijk onderzoek begint bij een hypothese. Heel eenvoudig uitgelegd kan de vraag luiden: Bestaat er de mogelijkheid betere types batterijen te ontwikkelen?"

(Wetenschappelijke) hypothese is een uitspraak die je kunt verwerpen of laten staan op basis van meetresultaten (moet testbaar zijn), dus hoewel je wel gelijk hebt m.b.t. de rest is je begin niet voldoende precies.

De nieuwste tesla batterijen worden nu ontworpen om 1.000.000 miles mee te gaan. Dus er verandert wel degelijk wat. (het duurt alleen wel lang)

“The new battery pack that is probably going to production next year is designed explicitly for 1 million miles of operation.” - Musk

[Reactie gewijzigd door 12_0_13 op 24 april 2019 15:42]

Dat is op autovlak ja, maar ik zie nooit wat over smartphoneaccu's. Altijd wel concepten en leuke ontdekkingen, maar ik zie het eigenlijk nooit in de praktijk komen.

Toch wel hoor.
Het probleem is dat smartphones belachelijk groeien en dat de toestellen veel meer energie vreten.

We lachen allemaal wel eens dat een 3310 3 weken op een lading kon, maar dat scherm telde amper pixels, was LCD, geen 3G, wifi, bluetooth,...

Hetgeen nu gewonnen wordt in de batterij gaan in rechte lijn verloren door groter verbruik.

Aan de andere kant hebben we nu:

• Zuiniger RAM
• Zuinigere schermen
• Zuinigere SoCs (lager nm)
• Grotere accu's

Ik heb het even opgezocht. Als je nu een 'originele' batterij voor een 3310 krijg je:
Capaciteit: 1020mAh in 10.812mm³
Mijn GSM heeft:
Capaciteit 2350mAh in 14.308mm³

Toch bijna een verdubbeling in energiedichtheid.

Maar over hoeveel jaar is dat? 15 ofzo?

Ik denk dat fabrikanten gewoon erg voorzichtig zijn met nieuwe technieken, iets uitbrengen in de vorm van een stuk gereedschap kan morgen in de Hornbach liggen, een stukje technologie met weet ik wat er gebeurd na 5 jaar, wil je echt niet ma ontwikkelen uitbrengen, test straten met temparatuur en gebruik zal intensief getest moeten worden, anders krijg je die Samsung Noteexplosies

Klopt. Dat is één van de redenen waarom Toyota zo lang zijn Prius blijft/bleef aanbieden met nikkel hydride batterij. Technologisch een inferieur product t.o.v. li-ion batterijen (de vorige generatie Prius had nikkel-hydride, de plug-in en Prius+ li-ion dacht ik). Maar de grote maar is de betrouwbaarheid. Toyota blinkt uit in betrouwbaarheid en één van de redenen om (nog) niet over te gaan naar li-ion was de onvoldoende bewezen kwaliteit.

Ik zie ook amper vernieuwing. Cpus zijn in 15 jaar 1000x sneller geworden met de helft aan stroom verbruik. Accu's hebben in al die tijd nog niet het dubbele aan capaciteit. Ik las ruim 10 jaar geleden al een artikel.over nanotube accu's helemaal opgebouwd uit koolstof. Ombrandbaar super licht, 5 keer meer capaciteit binnen enkele minuten op te laden en na 1000 laad cycli nagenoeg geen slijtage. Maar geen enkele fabrikant zit te wachten op zo'n techniek.waarom zou je als Samsung willen dat je accu 10 dagen mee kan gaan met 24 uur screen on time. En na 2 jaar nog steeds geen enkele slijtage vertoond... Je wordt er als fabrikant niet beter van... beter dat je accu's maakt die na 2 jaar net niet goed genoeg meer zijn om een dag vol te houden zodat iedereen weer een nieuwe koopt. En vooral zorgen dat accu's niet meer vervangbaar zijn. Het is toch wel duidelijk volgensmij.. de markt wil helemaal geen betere accu's die juist de enige grondstof gebruiken waar we in omkomen, niet gevaarlijk is, lang mee gaat e.t.c. alles heeft te maken met geld. Als deze accu's er komen dan hoef je niet eens meer aangesloten te zitten op gas en stroom. Je koopt voor een fractie van wat lithium accu's kosten een accu die een maand aan energie voor je hele huis kan opslaan en met wat zonnepanelen heb je nooit geen oxxio of overheid meer nodig. Je betaald geen belasting meer... niks in deze maatschappij is bezig met het milieu en welzijn . Iedereen is alleen maar bezig met geld geld geld. Overheden zeggen te willen stimuleren dat iedereen groener wordt en geven subsidies. Ondertussen liggen de nieuwe belasting plannen allang klaar voor als straks iedereen overgestapt is op warmtepompen en zonnepanelen. Wordt eens wakker iedereen!

[Reactie gewijzigd door sygys op 24 april 2019 17:40]

Wat had je verwacht te zien dan?

Smartphone accu's zijn de laatste jaren aanzienlijk beter geworden, zowel qua energiedichtheid, slijtage als prijs. Het is niet van de ene op de andere dag verdubbeld of zo, dus nee je zult geen groot nieuwsitem daarover tegenkomen. Maar de ontwikkeling zit er desondanks flink in.

Wat had je verwacht te zien dan?

Om maar iets te noemen:

• Een veel grotere capaciteit per kubieke meter. Niet verdubbelen, maar veel groter dan dat.
• Een veel sneller laadvermogen en ontlaadvermogen. Bijvoorbeeld iets wat lijkt op een condensator.
• Een langere levensduur. Een accu die nooit aan capaciteit verliest.

Onze toekomst vraagt gewoon om dit soort accu's. We moeten overcapaciteit makkelijker op kunnen slaan. Bijvoorbeeld om per huishouden de tijden door te komen dat de zon niet schijnt. Of om energiecentrales beter in te kunnen laten springen tijdens extra vraag.

Het laadvermogen van batterijen en accu's is enorm toegenomen. Zowel van mobieltjes als van elektrische auto's. Een verviervoudiging toch zeker.

De levensduur is ook flink toegenomen. De accu's in Tesla's lijken niet snel te slijten, dat was 20 jaar geleden wel anders. Ook batterijen in mobieltjes gaan tegenwoordig veel langer mee. Vroeger.... moest je om de zoveel tijd de batterij van je mobiel of je laptop een keer volledig ontladen om daarna in 1x volledig op te laden. Dat hoeft nu niet meer. Terwijl dat beeld bij sommigen nog steeds leeft.

Voortgang gaat soms zo geleidelijk dat je niet beseft dat er stiekem best wel veel voortgang wordt geboekt. Dit soort ontwikkelingen vraagt enorm veel tijd en geld in onderzoek, productontwikkeling en testen. Een klein deel van geslaagd onderzoek redt het maar tot productie. Veel valt af omdat het te kostbaar is.

Helaas is accutechnologie niet zó schaalbaar.

Onze toekomst kan wel meer vragen. Het moet er wel zijn.

Tuurlijk kan het beter, maar er is echt wel vooruitgang. Ik kan me nog heel goed herinneren hoe m'n Atari Lynx zijn batterijen gewoon in een half uur leeg kon trekken. Die tijden zijn gelukkig wel voorbij.

De batterijen laden toch steeds sneller op, dat is toch een verandering die echt wel merkbaar is.

Dat is op autovlak ja, maar ik zie nooit wat over smartphoneaccu's. Altijd wel concepten en leuke ontdekkingen, maar ik zie het eigenlijk nooit in de praktijk komen.

De accu die jij nu in je smartphone hebt heeft waarschijnlijk de dubbele capaciteit per cm3 als die je 12 jaar terug had. De ontwikkelingen zijn juist heel hard gegaan.

Ik typ dit anders op een xiaomi met een 4v / 4000mAh accu. Ik weet nog dat ik vroeger oplaadbare penlights had van 1,2v / 450mAh voor mijn walkman (ja ik ben oud) en dat die echt de bom waren. Er veranderd dus weldegelijk iets. Het gaat alleen langzaam

Even de garantie voorwaarden van Tesla er op na slaan: Nee hoor ! 8 jaar & 200,000 km. Komt niet in de buurt van die 1,600,000 km.

Geen vertrouwen in het eigen product of een te korte garantie periode.

Lees anders even de quote, er staat "next year". Zou raar zijn als ze dat nu in hun garantievoorwaarden zouden zetten al, toch?

We wachten af, maar zeker een goed punt.

Als fabrikant ga je natuurlijk nooit garantie leveren op hetgeen mogelijk is. Een stuk eronder voor de zekerheid. Ik ben nog geen bedrijf tegengekomen die dat wel doet.

[Reactie gewijzigd door Emin3m op 24 april 2019 16:08]

Ik denk dat ze in de US class action rechtszaken kunnen voeren op basis van deze uitspraak.

Verder heb je natuurlijk gelijk, maar ik zie ook nooit fabrikanten dit soort uitspraken doen. Die geven garantie en daaruit kan je afleiden hoe lang iets redelijkerwijs mee gaat.

Dus een KIA gaat veel langer mee dan een Volkswagen? Dat is bijvoorbeeld zo'n bedrijf die voorzichtig aan uitspraken doet wat het vertrouwen in hun eigen product bevestigd. Natuurlijk kun je dan stellen dat de meeste auto's veel langer dan 7 jaar mee gaan maar ze springen er wel tussenuit als het gaat om geven van garantie. Blijkbaar kan het dus wel.

Mogelijk is Tesla nog te jong om die garantie te kunnen garanderen. Als over 10 jaar blijkt dat de gemiddelde Tesla zeker 500.000 km mee gaat dan passen ze dat misschien ook wel aan in de voorwaarden.

KIA website: Elke nieuwe Kia geniet van 7 jaar volledige fabrieksgarantie met een beperking van 150.000 km. Voor de eerste 3 jaar geldt geen kilometerbeperking. Deze volledige garantie is gratis en 100% overdraagbaar op de volgende eigenaar.

die eerste 3 jaar is vrij standaard en de 4 jaar erna gaat dus eigenlijk over alles behalve de aandrijflijn. Elektronica en carrosserie / roesten dus. Er zijn best veel andere fabrikanten die daar ook een langere garantie op geven: zo geeft BMW 12 jaar garantie op roesten.

Valt allemaal best mee dus, klinkt vooral erg goed...

Al eens gekeken hoeveel garantie je krijgt op een Europese wagen?

Die miljoen mijl ging over de nieuwe generatie accu's uit 2020.

Even goed lezen, “The new battery pack that is probably going to production next year is designed explicitly for 1 million miles of operation.” - Musk

NEXT YEAR

Klopt. My bad.

Je weet dat (onder andere) Zweedse auto's over het algemeen zonder al teveel rare dingen makkelijk 500.000 km op de klok kunnen zetten toch?

Ik vind het dan weer niet vreemd dat Volvo geen 500.000 garantie geeft.

Er zijn teveel variabelen (lees: er is geen ondergrens qua domheid vwb de eigenaren) die de levensduur ernstig kunnen verkorten zo ook met accu's ws.

Sinds de meeste Zweedse auto’s Chinees zijn vraag ik het me af.

Volvo schermt verder niet met die 500k toch ?

Een batterij gaat geen miles of km's mee maar een aantal laden en ontladen, temperatuur en tijd.

Musk vergeleek 1.000.000 miles met 4.000 cycles

Ofwel 250 mile per cycle, wat me heel realistisch lijkt.

Een auto wel, en ik neem aan dat Tesla een aardig idee heeft hoeveel laadcycli er gemoeid zijn met een bepaalde afgelegde afstand van hun auto's. Of het echt klopt is nog maar afwachten, maar Tesla is wel koploper op dit gebied.

Heel leuk allemaal (en dat meen ik oprecht), maar ik heb al vaker van dit soort artikelen gezien in de afgelopen 5 jaar. Toch zie ik dit soort dingen niet in de praktijk verschijnen, of er wordt niets over gemeld?

Wat voorbeelden voor context:

• nieuws: Taiwanees bedrijf gaat solid-stateaccu's produceren voor Chinese auto...
• nieuws: Onderzoekers verlengen levensduur NiMH-accu door zuurstof toe te voegen
• nieuws: Onderzoekers maken lithium-ionaccu met tien keer zo grote energiecapa...
• nieuws: Onderzoekers maken accu die zichzelf beschermt tegen oververhitting
• nieuws: Wetenschappers maken accu die in half uur grotendeels oplost in water
• nieuws: Onderzoekers ontwikkelen accu die langzaam slijt
• nieuws: Chemicus wil brandrisico lithium-ionaccu's tegengaan met silica in el...

De enige waar ik goede hoop voor heb is dan ook de solid state technologie van de uitvinder van vloeibare lithium ion accus: John Goodenough.

Google: Braga glass electrolyte voor meer info

Maar ook daar duurt de stap van lab naar productie echt nog wel 5 tot 10 jaar gok ik (heb stiekem wel eens met het idee gespeeld om dit te proberen).

Bedrijven als Tesla zoeken oplossingen die NU in productie kunnen...

[Reactie gewijzigd door GeoBeo op 24 april 2019 16:11]

Tussen wetenschappelijk onderzoek en productie zit gewoonlijk 5 tot 10 jaar, soms wel 15 jaar. Enigszins afhankelijk hoe fundamenteel het onderzoek is en in welke mate het te vertalen valt naar standaard productieprocessen. Dat je het niet 1 op 1 terugziet in producten klopt dus. De capaciteit van accu's in auto's en mobieltjes neemt jaarlijks toe met gemiddeld ongeveer 5 tot 10%. De verbetering gaat redelijk geleidelijk, en grote sprongen zie je zelden.

Als je even doorklikt op je eerste link zie je wel degelijk dat er in de praktijk al iets is. Tweakers zelf heeft ze op de beurs bekeken. Ik meende eerder al gelezen te hebben dat Prologium zijn eerste Car Batterypack sample had verzonden naar geïnteresseerden. En lees nu op hun website dat ze er een Edison award mee gewonnen hebben.
http://www.prologium.com/...7094A0D9B611AE23B1F35F0EC

Of een simpele dc pulse desulfator?
https://scinapse.io/papers/1492466970

Ik heb ook al heel vaak dit soort reacties gezien en het gaat een beetje vervelen. Kun je je niet gewoon inhouden en niet reageren als je inhoudelijk niets te melden hebt?

Je hebt helemaal gelijk.
De keren dat ik veelbelovende nieuwe technieken op batterijgebied voorbij heb zien komen is niet op twee handen te tellen. Ik denk dat de belangrijkste reden voor het uitblijven van duurzame Li-Ion accu's op de markt het slechte verdienmodel is. Het is simpelweg niet lucratief voor de industrie om duurzame accu's te produceren die echt lang meegaan.

Dit zijn de mooie onderzoeken. Het zou zeer mooi zijn als de batterijen van bijvoorbeeld elektrische autos nog langer mee gaan, zodat de waarde van de autos zelf lang blijft bestaan.

Nu is het zo dat de batterijen op zijn en de auto zonder batterij verkocht wordt. Een batterij kost toch gauw ook zo'n 10k en dat is allemaal te duur om een vervanger te vormen voor de normale autos.

Tja, als dit soort accu op de markt komt, zullen ze zeker niet aan dezelfde prijs verkocht worden. Inderdaad, het zal de omschakeling waarschijnlijk niet bevorderen.

[Reactie gewijzigd door blackbaby op 25 april 2019 15:55]

Er zijn 2 manieren hoe je mensen in de elektrische auto krijgt. Jan modaal(die toch het meeste rijdt) subsidieren. Of de burger pesten totdat ze zichzelf in de schulden moeten werken om nog naar hun werk te kunnen rijden(zie Noorwegen).

Dat laatste is natuurlijk de natte droom van GroenLinks, maar ik hoop niet dat dat gaat gebeuren.

Ik hoor zeer uiteenlopende verhalen van capaciteitsverlies en levensduur van ev batterijen. Men is hier expres vaag over de impact?

[Reactie gewijzigd door anessie op 24 april 2019 15:39]

De consensus in EV wereld is dat capaciteitsverlies (degradatie) geen enkel probleem is zolang er batterijkoeling aanwezig is. Bij vrijwel alle EV's zie dat ze na vele jaren en km's nauwelijks minder capaciteit hebben, met uitzondering van de EV's zonder batterijkoeling zoals de Nissan Leaf. Daarvan degradeert de batterij een stuk sneller, grofweg 15% voor iedere 100.000km.

Zonder koeling (of opwarming!) zijn EV's inderdaad niet zinvol. Ik snap best dat dat ze duurder maakt maar als ik nu zie dat mijn Tesla (beta software) zijn accu's begint op te warmen (indien nodig) als ik in de buurt van een Supercharger kom en die de bestemming is, merk je pas hoeveel slimheid er echt nodig is. Gelukkig meestal alleen maar software!

"De onderzoekers omschrijven het als een 'kogelvrij vest' waarmee een lange levensduur van lithiummetaalaccu's mogelijk is."

Ik heb laatst ook nog een vest gekocht in de winkel, ook kogelvrij... moet zeggen dat het inderdaad een langere levensduur geeft